基于CDIO教學模式的機械基礎組合教具研制

盧孔寶, 陳軍達, 陳越林

(1. 浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院, 浙江 杭州 310018；2. 杭州英納福自動化工程有限公司, 浙江 杭州 310018)

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基于CDIO教學模式的機械基礎組合教具研制

盧孔寶1, 陳軍達1, 陳越林2

(1. 浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院, 浙江 杭州 310018；2. 杭州英納福自動化工程有限公司, 浙江 杭州 310018)

為解決“機械設計基礎”課程枯燥乏味、學生通過常規(guī)理論教學難以掌握相關知識這一難題,自主研制了一款機械基礎組合教具,結合課程由淺入深地投入到教學中,從零件的認知、單一典型機構的認知及應用、組合機構創(chuàng)新及應用等開展教學活動。該教具通過試用達到預期成效,明顯改善了教學效果,具有一定推廣價值。

組合教具； 機械設計； CDIO教學模式

“機械設計基礎”是高等院校機械類專業(yè)本專科生的核心專業(yè)課程,通過向企業(yè)發(fā)放調查問卷、畢業(yè)生回訪、企業(yè)招聘座談等形式獲知，“機械設計基礎”課程在學生從基礎理論學習過渡到研究和解決機械工程技術問題的過程中起著關鍵性的橋梁作用[1-2]。浙江水利水電學院十分重視“機械設計基礎”等核心課程的建設開發(fā),大力提倡自主研制教學教具。近幾年一直堅持以CDIO教學模式培養(yǎng)機械類人才,秉承“學中做,做中學”的教學理念,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和團隊合作精神，提升實踐動手能力[3-4]。

1 教具設計背景

通過調研，顯示學生學習“機械設計基礎”課程主要有以下特點:一是該課程機構多,初學者很容易混淆相關概念；二是課程缺少實質性的創(chuàng)新設計,固有的數(shù)據(jù)設計無法真正掌握所學知識；三是教學中采取的教具形式單一，缺少一個系統(tǒng)的組合機構。教師授課過程中發(fā)現(xiàn)常規(guī)的教學很難調動學生的積極性和主動性。浙江水利水電學院引入CDIO教學模式，在教學過程中讓學生參與構思(C)、設計(D)、實現(xiàn)(I)、運作(O)的教學訓練[5-7],通過該課程學習要求學生由淺入深地理解、掌握齒輪傳動、帶傳動、槽輪傳動、凸輪傳動、曲柄連桿機構、四連桿機構、組合機構等機械結構的原理及其應用場合。

由于目前市面上的機械設計教具部分是單一機構為主,有部分教具只能通過簡單的拆裝,無法融入學生的創(chuàng)新意識，無法實現(xiàn)學生的拓展訓練。鑒于現(xiàn)有市場銷售教具無法滿足教學所需,在學院大力提倡CDIO教學模式以提升學生創(chuàng)新和實踐能力的情況下自主研制了基于CDIO教學模式的機械基礎組合教具。該教具研制申報了2015年浙江省大學生新苗人才計劃創(chuàng)新項目并獲批,研制過程中收集了大量的學生需要,根據(jù)對學生的調研報告和教師教學經(jīng)驗進行裝置整體方案設計。該教具可以用于常規(guī)標配性教學，也可以允許教師或者學生以自主選題的方式對該作品進行功能擴展,使學生在娛樂中完成學習,從娛樂中掌握知識和技能。

2 設計思路

本教具主要激勵學生學習機械基礎課程的興趣,以游戲實驗的方式開展教學。本教具可以實現(xiàn)組合拼裝,通過不同機構的組合、構件不同尺寸的設計達到不同的運動效果,滿足CDIO教學模式的構思、設計、實現(xiàn)、運作4個階段的教學要求。該教具為學生提供了常規(guī)性實驗和拓展性實驗,可以在該教具的基礎上不斷開發(fā)升級,充分體現(xiàn)CDIO教學模式的靈活性和創(chuàng)造性。標配性的教具總體示意圖如圖1所示。

圖1 標配性教具總體示意圖

2.1 典型常見機構運動設計

2.1.1 剪刀剪切運動的設計

教具以連桿機構理論為支撐,通過剪刀剪切運動為案例進行搭建,使學生認識、理解、掌握、拓展連桿機構的應用。可利用不同長度的桿件開展多桿機構的教學。該教具可通過輪盤的轉動帶動剪刀的剪切運動，如圖2所示。具體運動實施如下:曲柄、剪刀片等構件由螺釘連接,當主動件曲柄做圓周回轉運動時,剪刀片根據(jù)四連桿機構原理形成交叉剪切運動[8]。

圖2 四連桿機構示意圖

2.1.2 木偶上下運動的設計

該教具以凸輪機構(見圖3)理論為支撐,通過凸輪運動為案例進行搭建,使學生認識、理解、掌握、拓展凸輪機構的應用。可利用不同凸輪形狀或不同頂桿接觸類型繪制頂桿(木偶)上升的軌跡圖等教學。主軸上的凸輪通過軸套固定,將木偶安裝在凸輪從動件上,由于凸輪呈盤狀,并且具有變化的向徑,因此在凸輪轉動時,可實現(xiàn)木偶的上下運動。

圖3 凸輪機構示意圖

2.1.3 錘子間歇擺動運動的設計

教具以間歇機構理論為支撐,通過錘子打擊木偶運動為案例進行搭建,使學生認識、理解、掌握、拓展間歇機構的應用。可利用不同間歇機構類型或連桿長短觀察是否可實現(xiàn)錘擊到木偶開展教學[9]。

副軸上的齒輪與主軸上的齒輪嚙合(圖4中看不到),實現(xiàn)副軸的旋轉,并帶動副軸上的圓盤旋轉。輪盤通過接觸固定在邊側的錘子連接桿而使錘子上下擺動，如圖4所示。

圖4 錘子間歇擺動示意圖

2.2 教具融合娛樂性設計

掌握了常見機構的知識后，可根據(jù)學生的自主選題或者教師制定的要求開展創(chuàng)新性教學,為增加學生主動積極性,設計教具時將娛樂性融于教學環(huán)節(jié)中[10],以提升教學互動性等。

2.2.1 木偶在剪刀之間穿梭

該機構運動需要實現(xiàn)的功能:剪刀閉合時,木偶下降并遠離剪刀；當剪刀張開時,木偶又會上升并在剪刀剪切范圍內,在整個過程中,木偶都不會被剪刀剪到,如圖5如示。可以根據(jù)設定要求通過不同長短桿件的組合搭建不同類別的運動形態(tài)。

圖5 木偶在剪刀之間穿梭

運動實施如下:手輪做回轉運動帶動主軸旋轉,主軸通過兩塊支撐板支撐保持水平狀態(tài),主軸前段裝有一個凸輪,凸輪經(jīng)由聯(lián)軸器與主軸相連,使得主軸的回轉運動與凸輪回轉運動保持一致。凸輪上方有一圓柱棒跟隨凸輪的回轉做上下運動。主軸前段有一錐齒輪,錐齒輪與主軸通過螺釘相連,兩個錐齒輪相互嚙合帶動圓盤做回轉運動,圓盤上固定有四連桿機構的連桿,通過上述連接。當主軸做回轉運動時最終表現(xiàn)出來的是四連桿機構做剪刀剪切運動,圓柱棒做上下運動。通過相關計算設計使得四連桿機構剪刀剪切過程中木偶都不會被剪刀剪到。

2.2.2 錘子間歇捶打木偶

錘子向下擺動時,凸輪運動到最低點,木偶下降；錘子向上擺動時,凸輪在最高點,木偶會上升。保證錘子的上下擺動都不會砸到木偶,如圖6所示。可以根據(jù)設定要求通過間歇機構的間歇周期或不同間歇機構的組合搭建是否錘擊到木偶的運動狀態(tài)。

圖6 錘子間歇捶打木偶示意圖

運動實施如下:副軸上的齒輪與主軸上的齒輪嚙合,實現(xiàn)副軸的旋轉,并帶動副軸上的輪盤旋轉。輪盤通過接觸固定在邊側的錘子連接桿而使錘子上下擺動。運動實施如下:回轉圓盤作為主動件,當回轉圓盤做回轉運動時,圓盤上的鋁塊也將跟隨著轉動,由于錘子自重力的作用錘子將向左側傾斜,圓盤上的鋁塊將間歇的敲擊錘子,使得錘子也做間歇式上抬運動。

2.2.3 槽輪的永不停轉

該機構運動需要實現(xiàn)的功能:主軸的轉動使槽輪持續(xù)運動[11]。 通過相關設計使得分針、時針也做持續(xù)回轉運動,且實現(xiàn)分針轉6轉、時針轉1轉，寓意著槽輪永不停轉。圖7為槽輪的永不停轉示意圖。

圖7 槽輪的永不停轉示意圖

實施如下:主軸帶動主動槽輪做回轉運動,通過主動槽輪的撥針間歇的撥動從動槽輪,確保主動槽輪運轉6轉從動輪運轉1轉。主軸與主動帶輪通過銷軸相連,實現(xiàn)同步運轉。主動帶輪通過同步帶實現(xiàn)從動帶輪運轉,且在從動輪上固定一分針。使得分針的運轉與主動槽輪運轉狀態(tài)一致。在從動槽輪上通過軸連接著時針,使得時針的運轉狀態(tài)與從動槽輪運轉一致。綜合上述描述,通過一定的數(shù)據(jù)計算設計即可實現(xiàn)分針轉6轉、時針轉1轉，寓意著槽輪永不停轉。

3 教具創(chuàng)新特點

基于CDIO教學模式的機械基礎組合教具主要涉及機械設計、工程力學等學科的知識,該裝置可通過不同結構部件的拼裝從而實現(xiàn)不同功能的轉換；可以通過不同桿件的長短實現(xiàn)機構運行是否合理,且可通過機械運動實現(xiàn)演示。

教具創(chuàng)新特點如下:

(1) 采用不同構建可搭建不同機構且能直觀演示；

(2) 同一機構也可以實現(xiàn)不同狀態(tài)的設計(如剪刀剛剪到棒體、剪刀完全剪到棒體、剪刀剛剪不到棒體、剪刀完全剪不到棒體),以達到拓展訓練效果；

(3) 教具采用純機械設計,有利于開展桌面教具CDIO教學模式的實施；

(4) 框架以透明有機玻璃搭建,便于觀察內部機械運動；

(5) 將多種機構集成在一個教具上,減少教具成本,提供機構對比；

(6) 教具部件采用標準模塊組成,為后期的擴展提供基礎。

4 實施效果

基于CDIO教學模式的機械基礎組合教具的研制建立在我校CDIO教學教改的基礎上,在我校大學生創(chuàng)新社團、指導教師、學生團隊共同努力下研制而成,該教具獲得浙江省第十一屆大學生機械設計競賽(本科組)二等獎,并獲得浙江省大學生新苗人才培養(yǎng)計劃創(chuàng)新推廣項目立項等。教具實物如圖8所示。

圖8 教具實物

該教具在我校的15級“數(shù)控加工技術”機械設計基礎CDIO課程進行了試用,數(shù)控15一班級采用傳統(tǒng)教具+理論教學模式,以傳統(tǒng)的認知、教具實驗等開展教學；數(shù)控15二班級采用基于CDIO教學模式的機械

基礎組合教具+理論教學模式,以3～5人為一個團隊從認識零件、搭建單一機構、構建組合機構、拓展訓練漸進式開展教學[12-13]。學期結束后對兩個班級的成績、學生應用機械設計基礎能力、學生學習主動性、授課反饋等數(shù)據(jù)進行了收集和對比。事實證明學生對該教具的接受程度很高,提高了學習主動性,拓展了學生利用機械設計基礎應用能力,授課教師對該教具的認可度高,提升了學生學習的氛圍,提高了學生專業(yè)綜合素質。

5 結語

基于CDIO教學模式的機械基礎組合教具目前申請并獲批了3項專利:第1項為組合式機械結構教具,第2項為機械教具集成傳動結構；第3項為持續(xù)剪切計時結構。研制過程不僅鍛煉了教師和學生的創(chuàng)新能力，而且提升了教師和學生的實踐動手能力。下階段將尋求企業(yè)對該教具進行包裝和推廣。本教具除在本校試用得到良好評價外,還在杭州師范大學錢江學院等院校進行了試用,反饋信息表明使用效果較好,并有采購該教具的意向,同時該教具得到杭州英納福自動化工程有限公司的認可,具有一定市場前景。

References)

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Development of mechanical foundation combined teaching aid based on CDIO teaching mode

Lu Kongbao1,Chen Junda1,Chen Yuelin2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018, China；2. Hangzhou Ying Hannaford Automation Engineering Co. Ltd., Hangzhou 310018, China)

In order to solve the Mechanical Design Foundation course boring, and that students can not grasp the relevant knowledge and the application of knowledge through the conventional theory teaching, this article independently researches a mechanical basis combined teaching aid, according to the course by shallow into deep teaching, so that the students can carry out the activities from parts of cognition, single typical mechanism of cognition and application of combined mechanisms, innovation and application of teaching. The teaching aid through the trial can achieve the desired results, and improve the teaching effect, which has a certain popularization value.

combined teaching aid; mechanical design; CDIO teaching mode

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.027

2016-05-30

浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃大學生科技成果推廣項目(2015R434015)；浙江省高校實驗室工作研究重點項目( ZD201408)

盧孔寶(1982—)，男，浙江湖州，在讀碩士研究生，實驗師，實驗實訓教學中心主任，主要從事數(shù)控加工技術研究、機電產(chǎn)品研制與改造.

E-mail：hzlukb029@163.com

TH132；G484

B

1002-4956(2016)11-0108-04